Проверим свои знания по теме главы IV

Определения и обозначения

Магнитное поле — форма материи, создаваемая движущимися электрическими зарядами и токами и действующая на движущиеся заряды, проводники с током и магниты. Оно позволяет описывать магнитное действие не как непосредственное влияние предметов друг на друга, а как действие поля. Понять, где и как направлено поле, помогают магнитные линии.

Сила Ампера — сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током; её направление определяют правилом левой руки. Она зависит от силы тока, длины участка проводника, магнитной индукции и угла между проводником и полем: F = BIl sin α. Это понятие нужно, чтобы объяснить, почему проводник может двигаться в магнитном поле.

Электромагнитная индукция — возникновение электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока через этот контур. Магнитный поток характеризует, насколько сильное магнитное поле проходит через площадь контура. Это явление лежит в основе получения тока в генераторах.

Правило Ленца устанавливает направление индукционного тока: созданное им магнитное поле противодействует изменению магнитного потока. Значит, нужно выяснить не только направление внешнего поля, но и то, усиливается или ослабевает поток. Правило помогает определить направление тока, даже если сам контур не подключён к источнику.

Как это устроено

Ток в проводнике — упорядоченное движение электрических зарядов. Каждый движущийся заряд создаёт магнитное поле, поэтому поля отдельных зарядов складываются и окружают проводник общим полем. Его направление связано с направлением тока: если поменять полюса источника и развернуть ток, направление линий поля тоже изменится. Для прямого проводника направление находят правилом правой руки или буравчика.

Проводник с током в магнитном поле сам создаёт поле, и оно взаимодействует с внешним магнитным полем. В результате на проводник действует сила Ампера, способная привести его в движение. Чем больше ток, длина находящегося в поле участка и магнитная индукция, тем больше сила; она также зависит от угла между проводником и линиями поля. При расположении проводника вдоль поля сила равна нулю, а при перпендикулярном расположении она максимальна.

Электромагнит — катушка с током, обычно с железным сердечником внутри. Ток создаёт магнитное поле катушки, а сердечник намагничивается и усиливает общее поле. Чтобы усилить действие электромагнита, увеличивают силу тока или число витков; железный сердечник также помогает сделать поле сильнее. Если отключить ток, действие обычного электромагнита резко ослабевает, поэтому им удобно управлять.

Индукционный ток возникает, когда меняется магнитный поток через замкнутый контур. Например, при движении магнита относительно катушки меняются условия прохождения магнитного поля через её площадь, и в контуре появляется ток. Если же магнитное поле остаётся неизменным, а катушка неподвижна, поток не меняется — току нечему возникнуть. Следовательно, само наличие поля ещё не означает, что в контуре будет индукционный ток.

В генераторе катушка или проводник вращается в магнитном поле. При вращении меняется магнитный поток через контур, поэтому возникает индукционный ток; механическая энергия вращения преобразуется в электрическую. Чем быстрее меняется поток, тем больше может быть индуцированное действие. Так механическое движение, например вращение турбины, позволяет получать электрическую энергию и передавать её потребителям по проводам.

Основные электромагнитные явления и их признаки

Чтобы разобраться в конкретной ситуации, сначала определите причину явления: ток, действие поля на проводник или изменение магнитного потока. Затем выберите правило для нужного направления: правой руки, левой руки или Ленца. В последней строке таблицы речь идёт о генераторе, где важны и направление движения проводника, и направление поля.

Разбор задач

Задача 1. Определить направление линий магнитного поля вокруг прямого проводника, если ток в нём направлен вверх. Направление ищем не по правилу левой руки: оно предназначено для определения силы Ампера. Здесь нужно связать ток с круговым направлением магнитных линий. Удобно представить, что правая рука обхватывает проводник.

1. Направьте большой палец правой руки вверх, вдоль тока.
2. Представьте, что согнутые пальцы обхватывают проводник: они показывают, в какую сторону идут линии поля.
3. Если смотреть сверху вниз вдоль проводника, то есть со стороны направления тока, пальцы будут указывать против часовой стрелки.

Ответ: линии магнитного поля охватывают проводник; сверху, со стороны направления тока, они направлены против часовой стрелки.

Задача 2. Найти направление силы Ампера, если ток направлен вправо, а магнитное поле — в плоскость листа, от наблюдателя. Силу нельзя направить ни вдоль тока, ни вдоль поля: она перпендикулярна обоим направлениям. Применяем правило левой руки, а затем проверяем результат по этому условию. Для других направлений те же шаги можно повторить, не меняя местами ток и поле.

1. Левую руку расположите так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь; здесь они направлены от наблюдателя.
2. Четыре пальца направьте вправо, по току в проводнике.
3. Отогнутый большой палец укажет силу Ампера: в данном случае она направлена вверх.

Ответ: сила Ампера направлена вверх, перпендикулярно току и магнитному полю.

Задача 3. Определить направление индукционного тока, когда северный полюс магнита приближается к катушке, и выяснить, что произойдёт при удалении магнита. Одного направления движения недостаточно: сначала нужно установить, как меняется магнитный поток, а затем применить правило Ленца. Уточним, что катушка находится перед магнитом, а направление рассматриваем со стороны магнита. Это позволяет однозначно описать, какая сторона катушки становится северной или южной.

1. При приближении северного полюса поток через катушку усиливается.
2. По правилу Ленца катушка должна противодействовать усилению потока и отталкивать приближающийся магнит. Обращённая к магниту сторона катушки становится северным полюсом.
3. Чтобы эта сторона стала северным полюсом, ток при взгляде со стороны магнита идёт против часовой стрелки.
4. При удалении магнита поток ослабевает. Катушка стремится поддержать его и притянуть магнит: её обращённая сторона становится южным полюсом, а ток меняет направление на противоположное.

Ответ: при приближении северного полюса ток идёт против часовой стрелки со стороны магнита, при удалении — по часовой стрелке.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что любое неподвижное заряженное тело создаёт магнитное поле. Её допускают, смешивая магнитное действие зарядов с электрическим: неподвижный заряд создаёт электрическое поле, а магнитное поле связано с движением зарядов. Проверьте себя вопросом: движется ли заряд или есть ли ток? Если нет, нельзя объяснять магнитное действие одним лишь наличием заряда.

Ошибка: менять местами направления тока и магнитного поля при использовании правила левой руки. Путаница возникает потому, что одновременно приходится учитывать несколько направлений. Напомните себе: в ладонь входят линии поля, четыре пальца направлены по току, большой палец показывает силу. После этого проверьте, что сила перпендикулярна и току, и полю.

Ошибка: считать, что для индукционного тока достаточно наличия магнитного поля. Это кажется правдоподобным, если забыть, что условием является изменение магнитного потока, а не просто присутствие магнита. Проверьте, меняется ли поле, положение контура или его ориентация. Если магнитный поток постоянен, индукционного тока не возникает.

Ошибка: выбирать направление индукционного тока только по тому, движется ли магнит к катушке или от неё. Приближение и удаление действительно меняют направление тока, но результат зависит также от того, какой полюс обращён к катушке и как меняется поток. Сначала установите направление поля магнита и выясните, усиливается поток или ослабевает. Затем примените правило Ленца и проверьте, что поле тока противодействует именно изменению потока.

Связь с другими темами

Для изучения магнитных явлений нужны знания об электрическом токе, силе тока, напряжении, сопротивлении и замкнутой цепи: ток возможен, когда заряды движутся по проводящему контуру. Направления силы и линий поля удобно представлять как направления векторов, то есть величин, для которых важны и значение, и направление. Эти знания помогают понять работу электродвигателей и генераторов, передачу энергии трансформаторами, радиосвязь и действие электрических измерительных приборов. Общая основа этих устройств — взаимодействие токов и магнитных полей либо изменение магнитного потока.

Что запомнить

• Движущийся электрический заряд создаёт магнитное поле.
• Магнитное поле действует на проводник, если по нему идёт ток; сила зависит и от взаимного расположения проводника и поля.
• Направление силы Ампера определяют правилом левой руки.
• Индукционный ток возникает только при изменении магнитного потока через контур.
• Направление индукционного тока определяют по правилу Ленца.
• Генератор преобразует механическую энергию в электрическую.
• Электромагнитные явления лежат в основе работы многих электрических машин и устройств.